Kimyanın temel kanunları

Bir eczacı aynı ilacı İstanbul'daki bir fabrikadan da, Ankara'daki bir laboratuvardan da alsa, ilacın etken maddesinin içindeki elementlerin kütle oranı birebir aynıdır. Bir şişe saf suyu nereden alırsanız alın, içindeki hidrojenin kütlesi oksijenin kütlesinin sekizde biridir; kaynak suyunda da, yağmur suyunda da, bir yanma tepkimesinde oluşan suda da bu oran değişmez. Kimyanın bir bilim olarak kurulmasında bu tür değişmezlikler belirleyici oldu. On sekizinci yüzyılın sonu ile on dokuzuncu yüzyılın başında yapılan dikkatli tartım deneyleri, maddelerin rastgele değil belirli kurallara göre birleştiğini gösterdi. Bu kurallar, atomların varlığına giden yolu da açtı. Önceki modüllerde maddenin yapısını ve hâllerini inceledik. Bu modül maddelerin nasıl ve hangi oranlarla tepkimeye girdiğine geçiyor; ilk ders, bütün kimyasal hesapların temelindeki üç kanunu ele alıyor.

• Kütlenin korunumu kanununu kapalı sistemlerdeki tepkimelere uygularsın.
• Sabit oranlar kanununu açıklar, bir bileşiğin formülünden elementlerin kütlece birleşme oranını hesaplarsın.
• Kütlece birleşme oranını kullanarak oluşan bileşik ve artan madde miktarını bulursun.
• Katlı oranlar kanununun hangi bileşik çiftlerine uygulanabileceğini belirler, katlı oranı hesaplarsın.

Kütlenin korunumu

Kapalı bir sistemde gerçekleşen kimyasal tepkimede tepkimeye giren maddelerin toplam kütlesi, oluşan ürünlerin toplam kütlesine eşittir. Bu ilke Lavoisier'in adıyla anılır ve atomların tepkimede yok olmadığını, yalnız yeniden düzenlendiğini gösterir. Kanunun gücü, hesaplarda bilinmeyen bir kütleyi bulmaya yaramasıdır.

Örneğin 2,4 gram magnezyum kapalı bir kapta oksijenle tamamen tepkimeye girerek 4,0 gram magnezyum oksit oluşturuyorsa, tepkimeye giren oksijen 4,0 − 2,4 = 1,6 gramdır. Açık bir kapta yapılan deneylerde ise havadan alınan oksijen ya da havaya karışan gazlar hesaba katılmazsa kütle değişmiş gibi görünür; kanun ancak bütün giren ve çıkan maddeler hesaba katıldığında doğrulanır.

Sabit oranlar kanunu

Joseph Proust, bir bileşik nereden elde edilirse ya da nasıl hazırlanırsa hazırlansın, onu oluşturan elementlerin kütlece birleşme oranının her zaman aynı olduğunu gösterdi. Bu ilkeye sabit oranlar kanunu denir.

Bu oran bileşiğin formülünden ve elementlerin atom kütlelerinden hesaplanır. Bu derste atom kütleleri için H = 1, C = 12, N = 14, O = 16, Mg = 24, S = 32, Ca = 40 ve Fe = 56 değerlerini kullanacağız.

• Su (H₂O): hidrojen 2 · 1 = 2, oksijen 16; oran 2 : 16, yani 1 : 8.
• Magnezyum oksit (MgO): 24 : 16, yani 3 : 2.
• Karbon dioksit (CO₂): 12 : 32, yani 3 : 8.
• Demir(III) oksit (Fe₂O₃): 2 · 56 = 112 ve 3 · 16 = 48; oran 112 : 48, yani 7 : 3.

Bu oran bilinince bileşiğin herhangi bir miktarındaki element kütleleri bulunabilir. 18 gram suyun 2 gramı hidrojen, 16 gramı oksijendir; 45 gram suyun ise 5 gramı hidrojen, 40 gramı oksijendir.

Kütlece yüzde bileşim

Sabit oranlar kanunu, bir bileşikteki her elementin kütlece yüzdesinin de sabit olduğunu söyler. Yüzde, elementin bileşikteki kütlesinin bileşiğin toplam kütlesine oranının yüzle çarpımıdır. Magnezyum oksitte magnezyum 24, toplam 40 kütle birimidir; magnezyumun kütlece yüzdesi 24 / 40 · 100 = 60, oksijeninki 40'tır. Suda hidrojen 18 kütle biriminin 2'sidir; kütlece yüzdesi yaklaşık 11'dir. Bu yüzdeler, bir bileşiğin belirli bir kütlesinde her elementten ne kadar bulunduğunu hızlıca hesaplamaya yarar: 50 gram magnezyum oksidin 30 gramı magnezyumdur. Yüzde hesabı, oran hesabıyla aynı bilginin başka bir yazılışıdır; sorularda hangisi verilirse ötekine kolayca geçilebilir.

Artan madde

İki element, sabit oranlarına uymayan kütlelerde bir araya getirilirse birinin tamamı tepkimeye girer, ötekinden ise bir kısmı artar. Örneğin 24 gram magnezyum ile 20 gram oksijen tepkimeye sokulsun. Magnezyum oksitte Mg : O oranı 3 : 2'dir; 24 gram magnezyumun tamamı tepkimeye girerse 16 gram oksijen gerekir. Ortamda 20 gram oksijen olduğu için 4 gramı artar. Oluşan magnezyum oksit 24 + 16 = 40 gramdır. Dikkat edilirse kütlenin korunumu burada da geçerlidir: başlangıçtaki 44 gram, 40 gram ürün ile 4 gram artan oksijenin toplamına eşittir. Artan madde sorularında en sık yapılan hata, iki maddenin kütlelerini doğrudan toplayıp ürün kütlesi saymaktır; oysa yalnız oran kadar tepkimeye giren kısım ürüne dönüşür. Hangi maddenin tamamen harcandığını bulmanın sistemli yolu, modülün ilerleyen bir dersinde sınırlayıcı bileşen adıyla ele alınacaktır.

Katlı oranlar kanunu

Bazı element çiftleri birden fazla bileşik oluşturur. Karbon ile oksijen hem karbon monoksit (CO) hem karbon dioksit (CO₂) oluşturur. John Dalton, böyle durumlarda elementlerden birinin sabit bir kütlesiyle birleşen ötekinin kütleleri arasında küçük tam sayılı bir oran bulunduğunu gösterdi. Bu ilkeye katlı oranlar kanunu denir.

CO ve CO₂ için 12 gram karbon sabit tutulursa, CO'da 16 gram, CO₂'de 32 gram oksijen bulunur. Oksijen kütleleri arasındaki oran 16 : 32, yani 1 : 2'dir. Kükürdün oksitleri SO₂ ve SO₃ için 32 gram kükürt sabit tutulursa oksijen kütleleri 32 ve 48 gramdır; oran 2 : 3'tür.

Katlı oran hesaplanırken pratik bir yol, iki formülde sabit tutulacak elementin atom sayısını eşitlemektir. N₂O ve NO₂ için azot sayıları eşitlenince N₂O ve N₂O₄ elde edilir; oksijen atom sayıları 1 ve 4 olduğundan katlı oran 1 : 4'tür.

Katlı oranlar ne zaman uygulanmaz?

Kanunu kullanmadan önce iki koşul denetlenir: bileşikler aynı iki elementten oluşmalı ve basit formülleri farklı olmalıdır. H₂O ile CO₂ farklı element çiftlerinden oluştuğu için karşılaştırılamaz. NO₂ ile N₂O₄ ise aynı elementlerden oluşsa da basit formülleri aynıdır (NO₂); sabit azota karşılık oksijen kütleleri eşit çıkar ve oran 1 : 1 olur. Aynı durum C₂H₄ ile C₃H₆ için de geçerlidir; ikisinin basit formülü de CH₂'dir. Bu çiftlerde katlı oranlar kanunu uygulanmaz.

Kanunlardan atoma

Bu üç kanun, Dalton'un atom kuramının dayandığı deneysel temeldi. Maddeler hep aynı oranlarda ve küçük tam sayılarla ifade edilen kalıplarla birleşiyorsa, bunun en basit açıklaması maddenin bölünmez parçacıklardan, yani atomlardan oluşması ve bileşiklerin bu parçacıkların tam sayılarla birleşmesiyle oluşmasıydı. Bir sonraki ders, bu atomları saymanın kimyadaki birimine, mole geçecek.

Örnek 1 — Korunum

Soru: 2,4 gram magnezyum kapalı bir kapta oksijenle tamamen tepkimeye girerek 4,0 gram magnezyum oksit oluşturuyor. Tepkimeye giren oksijen kaç gramdır?

• A) 6,4 gram
• B) 2,4 gram
• C) 1,6 gram
• D) 4,0 gram
• E) 0,8 gram

Çözüm: Kütle korunur: oksijen = 4,0 − 2,4 = 1,6 gram. Cevap: C.

Örnek 2 — Formülden oran

Soru: Fe₂O₃ bileşiğinde demirin oksijene kütlece oranı nedir? (Fe = 56, O = 16)

• A) 7'ye 3
• B) 2'ye 3
• C) 56'ya 16
• D) 3'e 7
• E) 1'e 1

Çözüm: Demir 2 · 56 = 112, oksijen 3 · 16 = 48; 112 : 48 sadeleşince 7 : 3 olur. Cevap: A.

Örnek 3 — Artan madde

Soru: 24 gram magnezyum ile 20 gram oksijen magnezyum oksit oluşturmak üzere tepkimeye sokuluyor. Hangisi doğrudur? (MgO'da Mg : O = 3 : 2)

• A) Magnezyumdan 4 gram artar.
• B) 44 gram ürün oluşur.
• C) Hiçbir madde artmaz.
• D) 4 gram oksijen artar ve 40 gram ürün oluşur.
• E) 20 gram ürün oluşur.

Çözüm: 24 gram magnezyum için 16 gram oksijen gerekir; 4 gram oksijen artar, ürün 40 gramdır. Cevap: D.

Örnek 4 — Katlı oran

Soru: SO₂ ve SO₃ bileşiklerinde eşit kütlede kükürtle birleşen oksijen kütleleri arasındaki oran nedir? (S = 32, O = 16)

• A) 1'e 1
• B) 2'ye 3
• C) 1'e 2
• D) 3'e 2
• E) 2'ye 1

Çözüm: 32 gram kükürt sabitken SO₂'de 32 gram, SO₃'te 48 gram oksijen vardır; 32 : 48 = 2 : 3. Cevap: B.

• Açık kaptaki kütle değişimini korunuma aykırı saymak. Havaya karışan ya da havadan alınan gazlar hesaba katılmalıdır.
• Kütlece oranı atom sayısı oranıyla karıştırmak. Suda atom oranı 2 : 1, kütle oranı 1 : 8'dir.
• Artan maddeyi ürünün içinde saymak. Artan madde tepkimeye girmemiştir; ürün kütlesine eklenmez.
• Basit formülü aynı bileşiklere katlı oran uygulamak. NO₂ ile N₂O₄ arasında katlı oran yoktur.
• Farklı element çiftlerini karşılaştırmak. Katlı oran yalnız aynı iki elementten oluşan bileşikler için geçerlidir.